《第三章 相互作用──力》学习活动设计三：探究弹簧弹力F跟弹簧伸长量x的关系--高一上学期物理人教版（2019）必修第一册.docx

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1、第三章 相互作用力学习活动设计三：探究弹簧弹力F跟弹簧伸长量x的关系课前准备：回忆初中学过的关于弹力的知识1. 什么是弹力？它的产生条件是什么？2. 弹簧弹力的大小与哪些因素有关？3. 猜想弹簧弹力大小与伸长量之间存在怎样的定量关系？你进行猜想的依据是什么？4. 你能设计实验来说明弹簧的弹力与弹簧的伸长量之间的关系吗？写出你的实验方案。课堂教学：【任务情景】图1是三种弹簧测力计的构造。我们知道，弹簧测力计是测量力的工具，同学们想一想，为什么可以用弹簧测力计测量力的大小呢？弹簧测力计的测量原理是什么呢？教学策略：将上述实际问题转化成可探究的问题，即弹簧弹力与伸长量之间存在什么关系？据此设计相应的

2、学习活动，逐步展开实验探究，完成弹簧弹力与伸长量之间关系的学习。第一步，完成学习任务一，对弹簧弹力大小与伸长量之间的定量关系做出有依据的猜想；第二步，完成学习任务二，评估、制定实验方案，获取数据；第三步，完成学习任务三，通过数据处理与分析验证猜想，得出结论。第四步，完成学习任务四，反思实验误差来源，表达交流，改进实验方案。探究过程可以用图2表示。【学习任务一】猜想与假设教师活动：猜想弹簧弹力大小与伸长量之间存在怎样的定量关系？你进行猜想的依据是什么？引导学生基于观察和实验形成猜想和假设。学生活动：思考、讨论、交流。【学习任务二】设计实验方案，获取数据教师活动：展示学生课前设计方案，组织讨论，什

3、么样的装置能方便测量弹力与弹簧的伸长量呢？需要哪些实验器材？实验过程中应该记录那些数据呢？如何获取这些数据？其中直接测量有哪些？间接测量有哪些？引导学生反思、评估课前所设计的实验方案的可行性，最终确定用如图3所示的装置来探究弹力与弹簧伸长量之间的关系。学生活动：思考、交流，明确实验器材、实验原理，梳理实验步骤和注意事项，设计实验数据记录表格，组装实验装置，分组实验完成实验数据的测量（注意：不同分组的弹簧不同，以便在数据处理结果的交流中引发学生新的思考）。操作提示：本实验要求定量测量，因此要尽可能减小实验误差。刻度尺要竖直且紧靠指针，以减小读数带来的误差，每次改变钩码的个数后，要待系统稳定后再读

4、数。实验中所提供的刻度尺精确度为1mm,读数时应估读一位。弹簧组的说明书上说明了每个弹簧的弹性限度，注意不要超过它的弹性限度。【学习任务三】数据处理，得出结论教师活动：引导学生在完成数据测量后用自己想到的方法处理数据。学生活动：处理实验数据，展示交流（学生用实物投影展示实验数据处理的方法和实验结果，并对实验探究情况进行交流和评估）。提示问题：你是采用什么方法处理数据的？数据处理的结果是什么？由此得到什么结论？刚才交流过程中有些同学采用代数法处理数据，有些同学采用的是图像法处理数据，这两种方法各自的优缺点分别是什么？哪种数据处理的方法更好呢？不同小组所测的数据不同，但实验结论是一致的，这能让你想

5、到什么？教师活动：建立弹簧的劲度系数的概念，引导学生亲手感受弹簧“软”和“硬”的感觉，把生活实际和物理概念联系在一起，促进学生理解物理概念的内涵。操作提示：从刚才数据交流的结果来看，不同弹簧的弹力与形变量的比值不同，这个比值反映了弹簧的特性，我们把它叫作弹簧的劲度系数。生活中常说有的弹簧“硬”，有的弹簧“软”指的就是弹簧的劲度系数不同，同学们可以亲手试试弹簧“软”和“硬”的感觉。得出结论：在弹性限度内，弹簧弹力与弹簧的伸长量成正比，写成表达式为F=kx。式中的k为弹簧的劲度系数，单位是牛顿每米。特别强调，只根据一个弹簧的实验结果不能做出一般性的结论。应该换用别的弹簧多次实验，结果都是弹力与弹簧

6、的伸长量成正比，只是比例系数不同，说明从上面的实验得到的结果是具有一般性的，弹簧的劲度系数跟弹簧丝的粗细、材料、弹簧的直径、长度等有关，这个量反映了弹簧的特性。以上这些探究实验英国物理学家胡克早在1678年就已做过，他在实验中得到了同样的结果，这就是著名的胡克定律。这里特别强调，F=kx中的x是弹簧的形变量，即伸长或缩短的量。【学习任务四】分析交流，改进实验方案教师活动：有的同学画出的F-x图像并非是一条过原点的直线，这是什么原因引起的呢？组织学生交流和讨论。学习预测：部分学生会认为，弹簧竖直悬挂，在测量弹力大小时，没有考虑弹簧自身重力的影响，从而引起测量误差；也能有极少部分学生可能将图像画成

7、了弹簧弹力与弹簧长度的关系图像。如果出现第二种情况，教师引导学生对弹簧弹力与弹簧长度的关系图像中的斜率、截距等物理意义进行讨论。学生活动：讨论交流误差产生的原因及改进方案。【学习小结】教师活动：组织学生用上述探究过程的经验和结论，回答课一开始的任务情境中的问题，即为什么可以用弹簧测力计测量力的大小呢？弹簧测力计的测量原理是什么呢？参考答案：根据胡克定律，弹簧发生弹性形变时，弹力的大小跟弹簧的伸长量成正比。如果已知弹簧的劲度系数，就可以在刻度盘上均匀标记出弹簧伸长量与弹力的对应数据，用弹簧的形变量来量度力的大小，这就是弹簧测力计的原理。【学习评价自测】1.弹力大小与形变大小有关。请你利用教材P6

8、3“练习与应用”第6题提供的数据（如下表），研究弹力与弹簧伸长量的关系。（1）根据以上数据填写下表（g=9.8N/kg）（2）在坐标纸中画出弹力F跟弹簧伸长量x的关系图，并根据图像计算弹簧的劲度系数。2.某同学想用DISlab软件和传感器研究弹簧弹力F与弹簧伸长量x之间的关系，实验装置如图4所示。在弹簧处于原长状态时（图4所示），该同学忘记将位移传感器调零，用此后测量的位移和弹力的数据作图，弹力随位移变化的图像还是过原点的直线吗？说说为什么。利用这条图像还能求得弹簧的劲度系数吗？如果可以说说方法，如果不可以说说为什么。解析：1.（1）根据以上数据填写下表（g=9.8N/kg）（2）在坐标纸中画出弹力F跟弹簧伸长量x的关系图，如图所示，在图线上选择尽可能远的一点，求解斜率，即劲度系数。2. 如果在图示位置位移传感器未调零，此后测量的位移即为弹簧的形变量与弹簧初始位置值之和。由胡克定律可知，弹簧弹力与形变量成正比，那么弹簧弹力与位移的关系式则为F=k（x-x0），因此弹力随位移的变化是一条不过原点的直线，图线的横截距表示弹簧的初始位置。利用这条直线可以求得弹簧的劲度系数，方法是在直线上选择尽可能远的两点可以求解斜率，斜率即为弹簧的劲度系数。学科网（北京）股份有限公司